DE102015216343A1 - Anode-cathode supply - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung (20, 30) für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems mit einer Anodenversorgung (20) und einer Kathodenversorgung (30), welche mittels einer dazwischen angeordneten Überströmleitung (100/200/...) und durch ein Überströmventil (400) hindurch miteinander in eine Fluidkommunikation bringbar sind, wobei das Überströmventil (400) als ein NC-Überströmventil (400) ausgebildet ist, wobei in einem unbestromten Zustand des NC-Überströmventils (400) und bei einem ausgeglichenen Druckverhältnis am NC-Überströmventil (400) das NC-Überströmventil (400) geschlossen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen oder eine Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsmediums (3), insbesondere von Wasserstoff (3), von einer Anode an eine Kathode einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1), bevorzugt eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, zeitlich beim und/oder zeitlich nach einem Abschalten der Brennstoffzelle (10). Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug.The invention relates to an anode-cathode supply device (20, 30) for a fuel cell of a fuel cell system with an anode supply (20) and a cathode supply (30), which by means of an interposed overflow line (100/200 / ...) and by a Overflow valve (400) through each other in a fluid communication can be brought, wherein the spill valve (400) as an NC spill valve (400) is formed, wherein in a de-energized state of the NC overflow valve (400) and at a balanced pressure ratio at the NC spill valve (400) the NC overflow valve (400) is closed. Furthermore, the invention relates to a method for supplying or a device for supplying an operating medium (3), in particular hydrogen (3), from an anode to a cathode of a fuel cell (10) of a fuel cell system (1), preferably a vehicle, in particular an electric vehicle , temporally at and / or in time after a shutdown of the fuel cell (10). Moreover, the invention relates to a fuel cell system (1) for a vehicle, in particular an electric vehicle, or a vehicle, in particular electric vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen oder eine Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsmediums, insbesondere von Wasserstoff, von einer Anode an eine Kathode einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, bevorzugt eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, zeitlich beim und/oder zeitlich nach einem Abschalten der Brennstoffzelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug. The invention relates to an anode-cathode supply device for a fuel cell of a fuel cell system of a vehicle, in particular of an electric vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for supplying or a device for supplying an operating medium, in particular hydrogen, from an anode to a cathode of a fuel cell of a fuel cell system, preferably a vehicle, in particular an electric vehicle, in time and / or in time after a shutdown of the fuel cell , Moreover, the invention relates to a fuel cell system for a vehicle, in particular an electric vehicle, or a vehicle, in particular an electric vehicle.
Eine Brennstoffzelle nutzt eine chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anode und einer Kathode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. A fuel cell uses a chemical reaction of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane electrode assembly (MEA for Membrane Electrode Assembly), which is a microstructure of an ion-conducting, often proton-conducting, membrane and on both sides of the membrane arranged electrodes, an anode and a cathode , In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. In general, the fuel cell is formed by a plurality of stacked in a stack (English stack) membrane electrode assemblies, wherein add their electrical power in an operation of the fuel cell. Bipolar plates, also called flux field plates, are generally arranged between the individual membrane-electrode units, which ensure supply of the membrane-electrode units, that is to say the individual cells of the fuel cell, with the operating media, the so-called reactants, and usually also a cooling serve. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
In einem Betrieb einer Einzelzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld den Bipolarplatten der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu 2H+ unter einer Abgabe von Elektronen (2e–) stattfindet. Durch eine Membran beziehungsweise einen Elektrolyten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H+) aus einem Anodenraum heraus in einen Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet. In an operation of a single cell, the fuel, a so-called anode operating medium, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied via an anode-side open flow field to the bipolar plates of the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to 2H + under a release of electrons (2e - ) takes place. Through a membrane or an electrolyte through which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place a water-bound or anhydrous transport of protons (H + ) from an anode compartment out into a cathode compartment. The electrons provided at the anode are fed via an electrical line and an electrical load (electric motor) of the cathode.
Der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O2) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu 2O2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum gebildete Sauerstoffanionen (O2–) mit den durch die Membran hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser. The cathode is supplied via a cathode side open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (O 2 ) or an oxygen-containing gas mixture, for example air, so that a reduction of O 2 to 2O 2- takes place under a recording of electrons. At the same time, oxygen anions (O 2- ) formed in the cathode space react with the protons transported through the membrane to form water.
Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich auch als Brennstoffzelle bezeichnet, mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für eine Zuführung des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad zur Abführung eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für eine Zuführung des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad zur Abführung eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf. In order to supply a fuel cell stack, hereinafter also referred to as fuel cell, with operating media, it has, on the one hand, an anode supply and, on the other hand, a cathode supply. The anode supply has an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode chambers of the fuel cell and an anode exhaust path for discharging an anode exhaust from the anode chambers. Analogously, the cathode supply has a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust gas path for discharging a cathode exhaust gas out of the cathode chambers.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf den in den
Dabei ist in der
Eine weitere Möglichkeit im Stand der Technik zum Vermeiden eines kritischen Überdrucks ist, das Ablassventil
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sicher betreiben zu können, ohne dass die Brennstoffzelle zu Luft-Luft-Starts neigt. Dies soll mit einfachen Mitteln durchführbar sein, wobei sich beim und zeitlich nach einem Abschalten der Brennstoffzelle Wasserstoff in einem fluidmechanisch abgesperrten Teil der Brennstoffzelle zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle homogen verteilen soll. Hierbei dürfen keine kritischen Druckdifferenzen zwischen der Anode und der Kathode auftreten. The invention has for its object to be able to safely operate a fuel cell of a fuel cell system without the fuel cell tends to air-air starts. This should be feasible with simple means, wherein during and after switching off the fuel cell, hydrogen should be distributed homogeneously in a fluid-mechanically shut-off part of the fuel cell between an anode and a cathode of the fuel cell. In this case, no critical pressure differences between the anode and the cathode may occur.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems vorzugsweise durch ein Verfahren zum Zuführen eines Betriebsmediums mittels eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung. The object of the invention is by means of an anode-cathode supply device for a fuel cell of a fuel cell system preferably by a method for supplying an operating medium by means of a fuel cell system for a vehicle, in particular an electric vehicle, and / or by means of a vehicle, in particular an electric vehicle, according to the independent Claims solved. Advantageous developments, additional features and / or advantages of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description.
Die erfindungsgemäße Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung umfasst eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung, welche mittels einer dazwischen angeordneten Überströmleitung und durch ein Überströmventil hindurch miteinander in eine Fluidkommunikation bringbar sind, und das Überströmventil als ein NC-Überströmventil ausgebildet ist, wobei in einem unbestromten, das heißt einem nicht angesteuerten, Zustand des NC-Überströmventils und bei einem ausgeglichenen Druckverhältnis am NC-Überströmventil das NC-Überströmventil geschlossen ist. Mit dem Begriff „NC-Überströmventil“ oder „NC-Ventil“ wird ein im Normalzustand geschlossenes Ventil bezeichnet (englisch: normally closed). The anode-cathode supply device according to the invention comprises an anode supply and a cathode supply, which can be brought into fluid communication with one another by means of an overflow line arranged therebetween and through an overflow valve, and the overflow valve is designed as an NC overflow valve, that is to say in a non-energized, that is a non-driven, state of the NC overflow valve and a balanced pressure ratio at the NC overflow valve, the NC overflow valve is closed. The term "NC overflow valve" or "NC valve" refers to a normally closed valve (English: normally closed).
Das heißt bevorzugt auch, dass das NC-Überströmventil bei einer am NC-Überströmventil anliegenden Druckdifferenz schließt (Schließdruckdifferenz) und/oder geschlossen ist, welche (deutlich) unterhalb (unkritische Druckdifferenz) einer für die Brennstoffzelle kritischen Druckdifferenz zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung liegt. Die Brennstoffzelle selbst ist hierbei ausgeschaltet oder gerade dabei ausgeschaltet zu werden. Ferner befindet sich das Überströmventil an oder in der Überströmleitung. This also preferably means that the NC overflow valve closes (closing pressure difference) and / or closes at a pressure difference applied to the NC overflow valve which is (clearly) below (uncritical pressure difference) a critical pressure difference between the anode supply and the cathode supply for the fuel cell , The fuel cell itself is turned off or just turned off. Furthermore, the overflow valve is located on or in the overflow line.
In Ausführungsbeispielen ist das NC-Überströmventil derart ausgebildet, dass das NC-Überströmventil bei einer Druckdifferenz am NC-Überströmventil öffnet (Öffnungsdruckdifferenz), welche unterhalb beziehungsweise etwas unterhalb einer für die Brennstoffzelle kritischen Druckdifferenz zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung liegt. In Ausführungsbeispielen beträgt die (unkritische) Druckdifferenz, bei welchem das NC-Überströmventil frühestens öffnet (Öffnungsdruckdifferenz), ca. 97,5%, ca. 95%, ca. 92,5%, ca. 90%, ca. 85%, ca. 80%, ca. 75%, ca. 70%, ca. 65%, ca. 60% oder ca. 50% ±1–2% der kritischen Druckdifferenz. In exemplary embodiments, the NC overflow valve is designed such that the NC overflow valve opens at a pressure difference at the NC overflow valve (opening pressure difference), which is below or slightly below a critical pressure difference between the anode supply and the cathode supply for the fuel cell. In exemplary embodiments, the (uncritical) pressure difference at which the NC overflow valve opens at the earliest (opening pressure difference) is about 97.5%, about 95%, about 92.5%, about 90%, about 85%, about 80%, about 75%, about 70%, about 65%, about 60% or about 50% ± 1-2% of the critical pressure difference.
Die Schließdruckdifferenz liegt dabei jeweils bevorzugt geringfügig darunter, das heißt die Öffnungsdruckdifferenz des Überströmventils ist geringfügig größer oder gleich der Schließdruckdifferenz des Überströmventils. Generell gilt, dass die kritische Druckdifferenz größer oder etwas größer als die Öffnungsdruckdifferenz (Öffnungsüberdruck) ist, welche ihrerseits etwas größer oder im Wesentlichen gleich der Schließdruckdifferenz (Schließüberdruck) ist, wobei die Schließdruckdifferenz bis Null (Fluidüberdruck an der Kathode oder kein Fluidüberdruck) und darunter (Fluidüberdruck an der Anode) gehen kann. The closing pressure difference is in each case preferably slightly below that, ie the opening pressure difference of the overflow valve is slightly greater than or equal to the closing pressure difference of the overflow valve. In general, the critical pressure difference is greater than or slightly greater than the opening pressure differential, which in turn is slightly greater than or substantially equal to the closing pressure differential, the closing pressure differential being zero (fluid over pressure at the cathode or no fluid overpressure) and below (Fluid pressure at the anode) can go.
In Ausführungsbeispielen ist das NC-Überströmventil derart ausgebildet, dass das NC-Überströmventil bei einem anodenseitigen Fluiddruck öffnet, welcher über einem kathodenseitigen Fluiddruck liegt, wobei eine Druckdifferenz zwischen dem anodenseitigen Fluiddruck und dem kathodenseitigen Fluiddruck unterhalb beziehungsweise etwas unterhalb der kritischen Druckdifferenz für die Brennstoffzelle liegt. In embodiments, the NC spill valve is configured such that the NC spill valve opens at an anode-side fluid pressure that is above a cathode-side fluid pressure, with a pressure difference between the anode-side fluid pressure and the cathode-side fluid pressure below or below is below the critical pressure difference for the fuel cell.
Das heißt, dass, bei einem Annähern der Druckdifferenz (Öffnungsdruckdifferenz) am NC-Überströmventil an die kritische Druckdifferenz, Fluid durch die Überströmleitung und das Überströmventil hindurch von der Anodenversorgung zur Kathodenversorgung strömt und somit ein wenigstens teilweiser Druckausgleich hergestellt wird. Eine dadurch erreichbare unkritische Druckdifferenz an der Brennstoffzelle beziehungswiese die Schließdruckdifferenz zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung liegt bevorzugt deutlich unterhalb der für die Brennstoffzelle kritischen Druckdifferenz. Hierbei sind wiederum oben genannte Werte für die unkritische Druckdifferenz beziehungswiese die Schließdruckdifferenz, wie zum Beispiel 75% der kritischen Druckdifferenz, zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung anwendbar. That is, as the pressure difference (opening pressure difference) on the NC spill valve approaches the critical pressure difference, fluid flows through the overflow line and the spill valve from the anode supply to the cathode supply, thus producing at least partial pressure equalization. An uncritical pressure difference on the fuel cell which can be achieved thereby, or the closing pressure difference between the anode supply and the cathode supply, is preferably well below the critical pressure difference for the fuel cell. Again, the above-mentioned values for the uncritical pressure difference or the closing pressure difference, such as 75% of the critical pressure difference, between the anode supply and the cathode supply are again applicable.
In Ausführungsbeispielen ist die Überströmleitung ferner als eine Abscheiderleitung, eine Spülleitung oder eine anderweitige Leitung ausgebildet, wobei die Überströmleitung in die Anodenversorgung und in die Kathodenversorgung mündet. Solch eine Überströmleitung kann auch als eine Abströmleitung bezeichnet werden. Ferner ist in Ausführungsbeispielen die Überströmleitung derart vorgesehen, dass diese innerhalb eines von einer Umgebung fluidmechanisch isolierbaren Bereichs der Kathodenversorgung in die Kathodenversorgung mündet, wobei die Überströmleitung entweder in einem Versorgungspfad der Kathodenversorgung oder in einem Abgaspfad der Kathodenversorgung mündet. Die Kathode der Brennstoffzelle ist dabei beispielsweise mittels zweier Stellglieder, insbesondere zweier Absperrventile, der Kathodenversorgung von der Umgebung fluidmechanisch isolierbar. In exemplary embodiments, the overflow line is furthermore designed as a separator line, a rinse line or another line, wherein the overflow line opens into the anode supply and into the cathode supply. Such an overflow line may also be referred to as an outflow line. Furthermore, in exemplary embodiments, the overflow line is provided in such a way that it opens into the cathode supply within a region of the cathode supply that is fluid-mechanically isolatable from an environment. The overflow line opens either in a supply path of the cathode supply or in an exhaust path of the cathode supply. The cathode of the fuel cell is fluid-mechanically isolatable from the environment, for example by means of two actuators, in particular two shut-off valves, the cathode supply.
Bevorzugt sind die Anodenversorgung und die Kathodenversorgung ferner mittels einer dazwischen angeordneten Fluidleitung und durch ein Ventil hindurch miteinander in eine Fluidkommunikation bringbar. Das Ventil ist bevorzugt als ein NC-Ventil ausgebildet, wobei in einem unbestromten, das heißt nicht angesteuerten, Zustand des NC-Ventils und bei einem ausgeglichenen Druckverhältnis am NC-Ventil, das NC-Ventil geschlossen ist. Insbesondere ist eine Schließkraft des NC-Ventils größer als eine Schließkraft des NC-Überströmventils. The anode supply and the cathode supply can furthermore be brought into fluid communication with one another by means of a fluid line arranged therebetween and through a valve. The valve is preferably designed as an NC valve, wherein in a de-energized, that is not actuated, state of the NC valve and a balanced pressure ratio at the NC valve, the NC valve is closed. In particular, a closing force of the NC valve is greater than a closing force of the NC relief valve.
Hierbei ist vorausgesetzt, dass das NC-Ventil und das NC-Überströmventil miteinander vergleichbar sind, was insbesondere die beteiligten Ventilsitzdurchmesser, Durchflussquerschnitte etc. betrifft. Ist dies nicht der Fall, so muss für eine Vergleichbarkeit der beiden Ventile entsprechend umgerechnet werden. Das heißt bevorzugt auch, dass das NC-Ventil bei einer am NC-Ventil anliegenden Druckdifferenz schließt und/oder geschlossen ist, welche oberhalb der für die Brennstoffzelle kritischen Druckdifferenz zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung liegt. In this case, it is assumed that the NC valve and the NC overflow valve are comparable with one another, which relates in particular to the valve seat diameters, flow cross sections, etc. involved. If this is not the case, it must be converted accordingly for a comparability of the two valves. This also preferably means that the NC valve closes and / or closes when there is a pressure difference across the NC valve which is above the critical pressure difference between the anode supply and the cathode supply for the fuel cell.
Bevorzugt sind hierbei die Fluidleitung beziehungsweise das NC-Ventil und die Überströmleitung beziehungsweise das NC-Überströmventil parallel geschaltet. Ferner kann sich das Ventil an oder in der Fluidleitung befinden. Ist die Überströmleitung zum Beispiel als eine Abscheiderleitung ausgebildet, so kann die Fluidleitung als eine Spülleitung ausgebildet sein. Umgekehrt kann die Fluidleitung zum Beispiel als eine Abscheiderleitung ausgebildet sein, wenn die Überströmleitung als eine Spülleitung ausgebildet ist. Natürlich ist für die Fluidleitung oder die Überströmleitung auch eine anderweitige Fluidverbindung zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung anwendbar. In this case, the fluid line or the NC valve and the overflow line or the NC overflow valve are preferably connected in parallel. Furthermore, the valve may be located on or in the fluid line. If the overflow line is designed, for example, as a separator line, then the fluid line can be designed as a flushing line. Conversely, the fluid line may be formed, for example, as a separator line, when the overflow is designed as a purge line. Of course, another fluid connection between the anode supply and the cathode supply can also be used for the fluid line or the overflow line.
In Ausführungsbeispielen ist das NC-Überströmventil derart ausgebildet, dass bei einem kathodenseitig niedrigeren Fluiddruck ein Ventilglied des NC-Überströmventils, abgesehen von einer anderweitig auf das Ventilglied wirkenden Kraft, von seinem Ventilsitz im NC-Überströmventil wegsaugbar beziehungsweise wegdrückbar ist. Ferner kann bei einem anodenseitig niedrigeren Fluiddruck das Ventilglied, abgesehen von einer anderweitig auf das Ventilglied wirkenden Kraft, auf seinen Ventilsitz hinsaugbar beziehungsweise hindrückbar sein. Hierbei ist das NC-Überströmventil bevorzugt derart ausgebildet, dass das Ventilglied von einem Elektromagneten direkt oder indirekt bewegbar beziehungsweise ansteuerbar ist. In embodiments, the NC overflow valve is designed such that at a cathode side lower fluid pressure, a valve member of NC overflow valve, apart from an otherwise acting on the valve member force wegsaugbar or wegdrückbar from its valve seat in NC overflow valve. Furthermore, in the case of an anode-side lower fluid pressure, the valve member, apart from a force that otherwise acts on the valve member, can be sucked or pushed onto its valve seat. Here, the NC overflow valve is preferably designed such that the valve member of an electromagnet is directly or indirectly movable or controllable.
Bevorzugt ist das Ventilglied in Richtung seines Ventilsitzes, also insbesondere in Richtung des anodenseitigen Fluiddrucks, mittels eines Energiespeichers, insbesondere einer (Spiral-)Druckfeder, mechanisch vorgespannt. Das heißt, für ein Öffnen des Ventilglieds muss der anodenseitige Fluiddruck neben dem kathodenseitigen Fluiddruck auch eine Kraft aus dem Energiespeicher kompensieren (Fluidüberdruck, Druckdifferenz). Mittels des Energiespeichers ist ein anodenseitiger Fluidüberdruck (gegenüber der Kathode) einstellbar, ab welchem das NC-Überströmventil öffnet und derart die Fluidkommunikation zwischen der Anode und der Kathode herstellt. Der anodenseitige Fluidüberdruck darf dabei die kritische Druckdifferenz nicht überschreiten beziehungsweise soll einer unkritischen Druckdifferenz (Öffnungsüberdruck entspricht ungefähr Schließüberdruck) entsprechen. Preferably, the valve member in the direction of its valve seat, ie in particular in the direction of the anode-side fluid pressure, by means of an energy storage device, in particular a (spiral) compression spring, mechanically biased. That is, for opening the valve member of the anode-side fluid pressure must also compensate for a force from the energy storage in addition to the cathode-side fluid pressure (fluid pressure, pressure difference). By means of the energy storage, an anode-side fluid overpressure (with respect to the cathode) is adjustable, from which the NC overflow valve opens and thus establishes the fluid communication between the anode and the cathode. The anode-side fluid overpressure must not exceed the critical pressure difference or should correspond to an uncritical pressure difference (opening overpressure corresponds approximately to closing overpressure).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zuführen oder mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zuführung eines Betriebsmediums, insbesondere von Wasserstoff, von einer Anode an eine Kathode einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, bevorzugt eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, zeitlich beim und/oder zeitlich nach dem Abschalten der Brennstoffzelle, wird beziehungsweise ist eine Fluidkommunikation durch eine Überströmleitung zwischen einer Anodenversorgung und einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellensystems hindurch aktiv im Wesentlichen vollständig verhindert beziehungsweise verhinderbar, wobei die Fluidkommunikation zwischen der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung passiv im Wesentlichen ausschließlich durch eine Membran der Brennstoffzelle hindurch erfolgt. In the inventive method for supplying or by means of the device according to the invention for supplying an operating medium, in particular hydrogen, from an anode to a cathode of a fuel cell of a Fuel cell system, preferably a vehicle, in particular an electric vehicle, at time and / or time after switching off the fuel cell, is or is a fluid communication through an overflow between an anode supply and a cathode supply of the fuel cell system through active substantially completely prevented or prevented, wherein the fluid communication passively occurs substantially exclusively through a membrane of the fuel cell between the anode supply and the cathode supply.
Unter ‚aktiv’ soll hierbei verstanden sein, dass ein Stellmittel, insbesondere ein Ventil selbsttätig schließt und derart die Überströmleitung fluidmechanisch blockiert. Ferner bilden die Anodenversorgung und die Kathodenversorgung eine Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung. Ein Verhindern der Fluidkommunikation kann durch ein in/an der Überströmleitung befindliches NC-Überströmventil erfolgen. Hierbei schließt in einem unbestromten, das heißt einem nicht angesteuerten Zustand des NC-Überströmventils und bei einer am NC-Überströmventil anliegenden Schließdruckdifferenz, das NC-Überströmventil selbstständig. Die Schließdruckdifferenz liegt dabei unterhalb beziehungsweise etwas unterhalb einer kritischen Druckdifferenz für die Brennstoffzelle. Under, active 'should be understood here that an actuating means, in particular a valve closes automatically and thus blocks the overflow fluid-mechanically. Furthermore, the anode supply and the cathode supply form an anode-cathode supply device. Prevention of the fluid communication can be done by an NC overflow valve located in / on the overflow line. In this case, the NC overflow valve closes automatically in a de-energized, that is to say a non-controlled state of the NC overflow valve and in the case of a closing pressure difference applied to the NC overflow valve. The closing pressure difference is below or slightly below a critical pressure difference for the fuel cell.
Das heißt auch, dass im unbestromten Zustand des NC-Überströmventils und bei einem ausgeglichenen Druckverhältnis am NC-Überströmventil, das NC-Überströmventil geschlossen ist. Hierbei ist wiederum obig Gesagtes zur unkritischen und/oder kritischen Druckdifferenz sowie zur Öffnungsdruckdifferenz (Öffnungsüberdruck) und/oder Schließdruckdifferenz (Schließüberdruck) am NC-Überströmventil anwendbar. In Ausführungsbeispielen ist die Überströmleitung in einer erfindungsgemäßen Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung vorgesehen. This also means that in the de-energized state of the NC overflow valve and with a balanced pressure ratio at the NC overflow valve, the NC overflow valve is closed. Here again, what has been said about the uncritical and / or critical pressure difference as well as the opening pressure difference (opening overpressure) and / or closing pressure difference (closing overpressure) can be applied to the NC overflow valve. In exemplary embodiments, the overflow line is provided in an anode-cathode supply device according to the invention.
Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Kombination einer Funktion eines automatischen NC-Überströmventils mit einem bereits vorhandenen Ventil (Spülventil, Abscheiderventil etc.) im Brennstoffzellensystem; das heißt, es sind kein extra Ventil, entsprechende Anschlüsse und gegebenenfalls Leitungen dafür notwendig. Hierbei kann vorteilhafterweise auf ein NO-Ventil zwischen der Anode und der Kathode verzichtet werden. Durch die Erfindung ergibt sich eine homogene Verteilung von Wasserstoff in einem fluidmechanisch abgesperrten Teil der ausgeschalteten Brennstoffzelle zwischen einer Anode und einer Kathode, wobei keine kritischen Druckdifferenzen zwischen der Anode und der Kathode auftreten können. Ferner sind problematische Luft-Luft-Starts der Brennstoffzelle wirksam vermieden. According to the invention results in a combination of a function of an automatic NC overflow valve with an existing valve (purge valve, separator valve, etc.) in the fuel cell system; that is, there are no extra valve, appropriate connections and, if necessary, lines necessary. This can advantageously be dispensed with an NO valve between the anode and the cathode. The invention results in a homogeneous distribution of hydrogen in a fluid-mechanically shut off part of the switched-off fuel cell between an anode and a cathode, wherein no critical pressure differences between the anode and the cathode can occur. Furthermore, problematic air-air starts of the fuel cell are effectively avoided.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem oder ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weisen eine erfindungsgemäße Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung auf, und/oder durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem oder das erfindungsgemäße Fahrzeug ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Zuführen eines Betriebsmediums durchführbar. Ferner kann das Brennstoffzellensystem oder das Fahrzeug eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zuführung des Betriebsmediums aufweisen. An inventive fuel cell system or a vehicle according to the invention have an anode-cathode supply device according to the invention, and / or by the fuel cell system according to the invention or the vehicle according to the invention, a method according to the invention for supplying an operating medium can be carried out. Furthermore, the fuel cell system or the vehicle may have a device according to the invention for supplying the operating medium.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen etc. zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden. The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying schematic drawing. Elements, components or components which have an identical, univocal or analogous design and / or function are provided with the same reference symbols in the description of the figures, the list of reference numerals and the claims and / or are identified by the same reference symbols in the figures of the drawing. Possible, not explained in the description, not shown in the drawing and / or non-exhaustive alternatives, static and / or kinematic reversals, combinations, etc. to the illustrated embodiments of the invention or individual modules, parts or portions thereof, the reference numerals can be found ,
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen: All explained features, including those of the list of reference numerals, are applicable not only in the specified combination or the specified combinations, but also in a different combination or other combinations or in isolation. In particular, it is possible on the basis of the reference symbols and their associated features in the description of the invention, the description of the figures and / or the list of reference numerals, to replace a feature or a plurality of features in the description of the invention and / or the description of the figures. Furthermore, a feature or a plurality of features in the patent claims can thereby be designed, specified and / or substituted. In the figures of the drawing show:
Die Erfindung ist anhand von vier Ausführungsformen einer Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung
Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtungen sowie Verfahren zum Zuführen beziehungsweise Vorrichtungen zur Zuführung eines Betriebsmediums, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. However, the invention is not limited to such embodiments and / or the embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it applies to all anode-cathode power supplies and methods for supplying or operating medium supply means, for example for stationary fuel cell systems can be. Although the invention has been described and illustrated in detail by preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed embodiments. Other variations can be deduced therefrom without departing from the scope of the invention.
Die
Das Brennstoffzellensystem
Die Anodenräume
Ein Gefüge aus einer Membran
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels
Die Anodenversorgung
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums
Die Kathodenversorgung
Sämtliche Stellmittel
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems
Ferner kann im Anoden-Abgaspfad
Beim Abschalten der Brennstoffzelle
Die Abscheiderleitung
Die Spülleitung
Gemäß der Erfindung ist eine der Fluidleitungen
Gemäß der Erfindung ist das Überströmventil
Hierbei existiert keine weitere, direkte Fluidverbindung, zum Beispiel über ein NO-Ventil, für den Druckausgleich zwischen der Anode und der Kathode wie im Stand der Technik. Durch die Anwendung des NC-Überströmventils
Das NC-Überströmventil
Gemäß der Erfindung ist das NC-Überströmventil
Die
Je nach einer Ansteuerung des Elektromagneten
So öffnet (p1 > p2) das NC-Überströmventil
Parallel zum NC-Überströmventil
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Brennstoffzellensystem, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem ElektrotraktionsmotorFuel cell system, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor
- 2 2
- Umgebung Surroundings
- 3 3
- Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges GasgemischOperating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture
- 4 4
- Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas Exhaust gas including liquid water, in particular anode exhaust gas
- 5 5
- Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft Operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably air
- 6 6
- Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft Exhaust gas including liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air
- 7 7
- Kühlmittel, insbesondere Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-GemischCoolant, especially water, water-alcohol mixture, water-ethylene glycol mixture
- 10 10
- Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel Fuel cell, fuel cell stack
- 11 11
- Einzelzelle mit Anode und Kathode, einzelne Brennstoffzelle Single cell with anode and cathode, single fuel cell
- 12 12
- Anodenraum anode chamber
- 13 13
- Kathodenraum cathode space
- 14 14
- Membran, bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran Membrane, preferably polymer electrolyte membrane
- 15 15
- Bipolarplatte, Flussfeldplatte Bipolar plate, flow field plate
- 20 20
-
Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle
10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels10 Anode supply, anode circuit of thefuel cell 10 or thefuel cell stack 10 - 21 21
- Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, anode supply path
- 22 22
- Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, anode exhaust path
- 23 23
-
Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium
3 Fuel storage, fuel tank withanode operating medium 3 - 24 24
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel etc.Adjusting means, controllable, (on) controllable, not adjustable, in particular valve, flap, throttle etc.
- 25 25
- Brennstoff-Rezirkulationsleitung Fuel recirculation line
- 26 26
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel etc.Adjusting means, controllable, (on) controllable, not adjustable, in particular valve, flap, throttle etc.
- 27 27
- Wasserabscheider water
- 28 28
- Verdichter compressor
- 30 30
-
Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle
10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels10 Cathode supply, cathode circuit of thefuel cell 10 or thefuel cell stack 10 - 31 31
- Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, cathode supply path
- 32 32
- Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, cathode exhaust path
- 33 33
- Verdichter, Kompressor, Turbolader Compressor, compressor, turbocharger
- 34 34
- Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe) Motor, in particular electric motor or drive (if necessary including gear)
- 35 35
-
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor
34 Electronics, in particular power electronics for themotor 34 - 36 36
- Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Expander Turbine with possibly variable turbine geometry, expander
- 37 37
- Wastegate, Wastegate-Leitung Wastegate, Wastegate pipe
- 38 38
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel etc.Adjusting means, controllable, (on) controllable, not adjustable, in particular valve, flap, throttle etc.
- 39 39
- Befeuchter, Befeuchtermodul Humidifier, humidifier module
- 100 100
- Überströmleitung, Abscheiderleitung/Fluidleitung Overflow line, separator line / fluid line
- 200 200
- Überströmleitung, Spülleitung/Fluidleitung Overflow line, purge line / fluid line
- 310 310
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil Adjusting means, adjustable, (on) controllable, not adjustable, in particular shut-off valve
- 320 320
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil Adjusting means, adjustable, (on) controllable, not adjustable, in particular shut-off valve
- 400 400
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Überströmventil, NC-Überströmventil bevorzugt als Fluidventil, Gasventil, Abscheiderventil, Spülventil(Purgeventil)ausgebildetAdjusting means, controllable, (on) controllable, not controllable, in particular overflow valve, NC overflow valve preferably designed as a fluid valve, gas valve, separator valve, purge valve (purge valve)
- 401 401
- NO-Überströmventil (nur Stand der Technik) NO overflow valve (state of the art only)
- 410 410
- Ventilglied valve member
- 420 420
- Ventilkörper valve body
- 422 422
- Ventilsitz valve seat
- 430 430
- Energiespeicher, insbesondere (Spiral-)Druckfeder Energy storage, in particular (spiral) compression spring
- 440 440
- Elektromagnet electromagnet
- 500 500
- Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, NC-Ventil Adjusting means, controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, NC valve
- p1 p 1
-
Fluiddruck, anodenseitiger Fluiddruck insbesondere am Ventilglied
410 Fluid pressure, anode-side fluid pressure, in particular on thevalve member 410 - p2 p 2
-
Fluiddruck, kathodenseitiger Fluiddruck insbesondere am Ventilglied
410 Fluid pressure, cathode-side fluid pressure, in particular on thevalve member 410
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
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